Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках, страница 8

2.5. Профилограмма поверхности царапины, выполненной на пластинеиз кварцевого стекла: по оси абсцисс – горизонтальное перемещениеиндентора, мкм; по оси ординат – профиль царапины, мкм2.3. Влияние износа алмазного зерна и свойств связки алмазоносногослоя на процесс резанияИзнашивание шлифовальных кругов можно представить следующимимеханизмами:а) микроразрушение зерен:механическое истирание вершин режущих кромок зерен приадгезионном и диффузионном взаимодействии поверхности кристаллов алмаза собрабатываемым материалом – происходит с появлением на зернах плоскихплощадок износа [54, 72, 73];микровыкрашивание рабочей поверхности зерен – поверхностьзерна остается шероховатой, единой площадки износа нет [73], на изношеннойповерхности зерна появляются риски, параллельные скорости резания [54].Также данный износ называют абразивным [54].б) макроразрушение зерен:51выкрашивание (скалывания) частиц алмазных зерен под действиемсиловых нагрузок или (и) циклического чередования их быстрого нагрева иохлаждения, создающего термоудары [71];раскалывание алмазных зерен под действием ударов – частовстречается при обработке кругами на бакелитовой связке [73].в) полное разрушение алмазоносного слоя:вырыв алмазных зерен из связки, возникающих в том случае, когдаглубина заделки зерна оказывается меньше критической [73].г) изнашивание связки:износ связки – приводит к вырыву зерен из связки [72,73];засаливание алмазоносного слоя - процесс переноса на рабочуюповерхность алмазного инструмента частиц шлама в процессе обработки(ГОСТ 21445).

Однако следует иметь в виду, что частицы шлама способныпроникнуть и удержаться в пространстве между алмазными зернами и в порахкруга (шлам – это отходы шлифования, состоящие из частиц абразива, связки ишлифовальной стружки) [71];глубинноевырываниевследствиесхватываниясвязкисобрабатываемым материалом – чаще всего результат засаливания [73].Также выделяют окислительный износ - окисление зерен кислородомвоздуха и их графитизация при высокой температуре [71,75].В зависимости от того, какой из процессов износа преобладает,абразивный инструмент работает в режиме преобладающего затупления, либозатупления, сопровождаемого «засаливанием», или самозатачивания [72].

Такжевыделяют смешанный режим – с частичным затуплением и частичнымсамозатачиванием [73]. Режимы затупления и «засаливания» сопровождаютсянебольшими изменениями размеров инструмента (незначительным размернымизносом), но приводят к быстрому ухудшению его режущих свойств и, какследствие, частой правке [72].52Основным механизмом изнашивания кругов из сверхтвердых материаловявляется хрупкое разрушение алмазных зерен и вырывание из связки целыхзерен.

Если алмазные зерна недостаточно прочно удерживаются связкой, то онивырываются прежде, чем успевают затупиться [71]. Такой вид износа алмазныхкругов характерен при органических связках и повышенных режимахобработки [69].На операциях окончательного шлифования, в т. ч. оптическихизотропныхматериалов,необходимосоздаватьусловияирежимы,обеспечивающие работу круга в режиме преимущественного затупления иличастичного самозатачивания, когда обеспечивается его незначительныйразмерный износ [71].

Для этого необходимо использовать шлифовальные кругис природными алмазными зернами, обладающие большой износостойкостью посравнению с синтетическими [70].Износ алмазного зерна в первую очередь вызван трением зерна обобрабатываемый материал, при этом работа силы трения равна [77]:Аtr   Lz Fzn  az , hizn  ,(2.8)где Lz - путь резания алмазного зерна, а нормальная составляющая силызависит от толщины срезаемого слоя и износа режущей вершины зерна.Работа силы трения зерна об обрабатываемый материал расходуется наизнос алмазного зерна и на выделение теплоты.

При этом энергия, затраченнаяна износ алмазного зерна, может быть записана как [77,78]:Qizn  z 2  ViznEz KT ,(2.9)где  z и E z - прочность и модуль упругости алмазного зерна;KT - коэффициент, учитывающий долю энергии, затраченной на износалмазного зерна, от работы силы трения.Объем изношенной части зерна в случае hizn   нужно рассматриватькак сегмент сферы радиусом  и высотой hizn (Рис.2.6):531Vizn   hizn2    hizn  .3(2.10)Если считать, что работа силы трения расходуется на изнашиваниеалмазного зерна и на нагревание зерна, то, приравнивая выражения (2.8) и (2.9),а также подставляя (2.10), получаем:13 z 2  hizn2   hizn3   KT   Ez Lz Fzn  az , hizn  .Пренебрегая1hizn3 , как малым слагаемым, получаем выражение для3расчета величины износа режущей вершины алмазного зерна:hizn  Lz Ez Fzn  az , hizn  z 2 KT .(2.11)Износ режущей вершины алмазного зерна влияет, прежде всего, наплощадь контакта зерна и обрабатываемого материала, следовательно, он влияетна силы резания и, кроме того, на глубину трещиноватого слоя [79].Рис.

2.6. Схема расчета объема изношенной части режущего выступаалмазного зернаС учетом того, что величина проекций площадей режущего выступаалмазного зерна зависит от величины износа, составляющие силы резанияединичным зерном запишутся аналогично выражениям (2.6) и (2.7), но при этомравны:54 в At  az , hizn    в At  az , hizn  , az  azkrit ;,Fzt  2C2CAa,hAa,h,aaL sm sв t z iznв t z iznzzkrit  в An  az , hizn    в An  az , hizn  , az  azkrit ;.Fzn  4CL s   в An  az , hizn    в An  az , hizn  , az  azkrit (2.12)(2.13)Как было отмечено выше, в процессе резания единичное зерно можетвырываться из связки под действием усилий резания.

Условие, исключающеевырывание зерна из связки с учетом ее прочности и глубины заделки зерна(условие прочности связки), можно записать в виде [23,24,80]: sv Asv  F ,(2.14)22где суммарная сила резания равна F  Fzn  Fzt ; sv - прочность связки при изгибе;Asv - площадь контакта алмазного зерна и связки.Посколькувпроцессерезаниязерновдавливаетсявсвязкуперпендикулярно к направлению скорости резания под действием нормальнойсоставляющей силы резания Fzn , а также давит на связку боковой поверхностьюпо направлению скорости резания под действием тангенциальной составляющейсилы Fzt , условие (2.14) необходимо записать для каждой из составляющихсуммарной силы резания в отдельности: sv Asvn  Fzn ,(2.15) sv Asvt  Fzt .(2.16)Кроме того, зерно не может воспринимать усилия больше, чем допускаетпредел прочности. Условие прочности алмазного зерна можно записать в виде: z Az  F ,(2.17)где  z - прочность алмазного зерна на изгиб;Az - площадь контакта алмазного зерна и обрабатываемого материала.Аналогичным образом, поскольку с обрабатываемым материаломвзаимодействует как боковая сторона режущего выступа зерна, так и его55изношенная часть – площадка износа, для проекций сил резания условие (2.17)можно записать: z An  az   Fzn ,(2.18) z At  az   Fzt .(2.19)Схемы для расчета проекций площади режущего выступа алмазногозерна и взаимодействия зерна и связки в зависимости от толщины срезаемогослоя и износа приведены: Asvn и Asvt - в Приложении П.2 (Рис.

П.2); An  az  ,At  az  - в Приложении П.3 (Рис. П.3 – П.5).На Рис. 2.7 приведены графики зависимости нормальных сил резанияединичным зерном от толщины срезаемого слоя при обработке ситалла маркиСО115М при износе зерна равном 0, 300 и 630 нм, рассчитанные по выражениям(2.12) и (2.13) с учетом условий прочности связки и алмазного зерна (2.15), (2.16)и (2.18), (2.19). Графики демонстрируют работу единичного зерна и измененияусловий резания при его износе.В Таблице 5 приведены условия расчета для графиков на Рис. 2.7.Таблица 5.Условия расчета для графиков зависимости сил резания единичным зерномот толщины срезаемого слояКоэффициент, учитывающий заделку зерна в связку Средний диаметр алмазного зерна x , мкмУгол при режущей вершине зерна  , градПрочность обрабатываемого материала при сжатии  в , ГПаМодуль упругости обрабатываемого материала E , ГПаКоэффициент трещиностойкости обрабатываемого материала Kc,МПа*м1/2Эффективная поверхностная энергия  s , Н/мКоэффициент трения между зерном и материалом Максимальная толщина срезаемого слоя алмазным зерном azmax , нм0,58858,893Критическая толщина срезаемого слоя единичным зерном azkrit , нм251,0Коэффициент, показывающий размерное отношение осей зерна α0,70,50,14856Таблица 5 - продолжениеШирина алмазоносного слоя B , мПрочность связки при изгибе  sv , МПаМодуль упругости связки Esv , ГПаПрочность на сжатие алмазного зерна  z , ГПаМодуль упругости алмазного зерна E z , ГПа0,019081001246На Рис.

2.7, а приведен график зависимости нормальной составляющейсилы резания единичным зерном размером 8 мкм от толщины срезаемого слоядля ситалла марки СО115М, рассчитанной по выражению (2.12) с износом зернаhizn = 630 нм, иллюстрирующий условие «хрупко-пластичного» перехода.Нормальная составляющая силы увеличивается с ростом толщины срезаемогослоя и достигает критического значения по выражению (1.4) – 19 мН.Пластический характер взаимодействия заменяется хрупким разрушениемматериала, происходит скачок нормальной составляющей силы, связанный споявлением сил трещинообразования. Для кварцевого стекла критическоезначение нормальной силы по выражению (1.4) – 5 мН.На Рис.

2.7, б приведены графики: 1 - нормальная составляющая силырезания, рассчитанная по формуле (2.12) при износе зерна hizn  0 нм.Составляющая силы резания в данном случае не достигает своего критическогозначения Pkrit , разрушение материала происходит по пластичному механизму; 2- ограничение по прочности связки, рассчитанное по формуле (2.15); 3 ограничение по прочности зерна, рассчитанное по формуле (2.18).На Рис. 2.7, в приведены графики зависимости нормальной составляющейсилы резания единичным зерном с различным износом при пластическомхарактере взаимодействия: 1 – hizn  0 нм; 2 – hizn  100 нм; 3 – hizn  200 нм; 4 –hizn  300 нм.